基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法与流程

本发明涉及一种4G宽带通信系统技术，确切地说，涉及一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，属于无线通信技术领域。

背景技术：
4G通信系统是第四代移动通信及其技术的简称。以长期演进LTE(LongTermEvolution)系统为例，4GLTE系统能够以100Mbps和50Mbps的速度分别实现数据的下载和上传，并且能够满足几乎所有用户对无线服务的需求。而4GLTEAdvanced采用载波聚合技术，下行峰值速度可达150Mbps。此外，4G还可以部署在数字用户线DSL(DigitalSubscriberLine)和有线电视调制解调器没有覆盖的地方，然后再扩展到整个地区，可以有效改善小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。4G系统成倍增长的吞吐率对基站和移动台的数据处理能力形成了很大的挑战，并且它的高实时性要求，低时延和精确同步等性能参数，更使得设备制造商和运营商必须研发或购买更加昂贵复杂的产品来满足苛刻的技术需求。在百度专利搜索上，利用“4G”、“多核”、“LTE计算资源”和“调度方法”作为关键词，检索到如下两篇专利申请文件：《基于TD-LTE的宽带多媒体集群系统集群调度服务器的鉴权方法》(中国发明专利申请公开号：CN101964950B)，该申请介绍了一种宽带多媒体集群系统中集群调度服务器的鉴权方法。它解决了判断主叫用户是否有权发起呼叫以及DC是否有权进行强插、强拆、监听的问题，其具体过程是：当UE/DC发起单呼、组呼以及DC发起强插、强拆、监听流程时，TDS向HSS发送鉴权请求信令进行鉴权，HSS收到消息后，查找数据库，并回复所述TDS鉴权响应信令，通过鉴权响应信令通知UE/DC是否有权发起组呼、单呼以及DC是否有权发起强插、强拆、监听流程。本发明满足呼叫业务中的权限判断需求。《一种多核处理器集群任务资源分配方法》(中国发明专利申请公开号：CN101916209B)，该方法介绍了一种根据接收用户所提交到该集群上的作业任务，以CPU资源节点为基本分配单元，进行任务分配，构成任务资源分配器。所述任务资源分配器将集群上的资源映射为一个M×N的矩阵AR。在为该任务寻找空闲资源位置时，该方法均匀地将任务分散地分配所需要的资源到节点上，使每个任务所占用的资源节点位置上有一定的间隔。该方法避免了以往任务分配方法中，任务过分集中于某一区域，时间一长时造成该区域突然产生大量的热能集中，局部芯片温度过高，影响计算机的正常工作效率的问题。本方法采用的任务调度方法是一个在线的实时任务调度方法，在多核处理器集群系统的作业与任务管理中有很好的应用前景。在3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)标准的演进过程中，三种多址接入技术的差异是显而易见的：2G的全球移动通信系统GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)/通用分组无线服务技术GPRS(GeneralPacketRadioService)/增强型数据速率GSM演进技术EDGE(EnhancedDataRateforGSMEvolution)是基于时分和频分多址的接入技术。3G的通用移动通信系统UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem)家族标志着码分多址技术进入3GPP演进过程，被称为宽带码分多址接入CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)或简称WCDMA(WidebandCodeDivisionMultipleAccess)；最后，LTE采用了正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)接入技术。目前，OFDM技术已经在移动无线标准的最新技术演进中起到主导作用。LTE系统延续了3GPP中的GSM和UMTS家族的技术演进，它可被看作完成了业务扩展的趋势：从简单的语音业务向建立多业务空中接口的转变。这虽然已经是UMTS和GPRS/EDGE的关键目标，但是，LTE在设计之初就考虑了无线接入技术演进这个目标，并设想所有业务都是分组交换模式，而不是最早期的电路交换模式。此外，LTE也伴随着整个系统中非无线方面的演进，即业界称之为系统架构演进SAE(systemarchitectureevolution)，包含演进型分组核心EPC(EvolvedPacketCore)网络。LTE和SAE共同组成了演进的分组交换系统，其核心网和无线接入都完全采用分组交换技术。关于LTE系统需求的讨论，促使3GPP创建了一个正式的“研究项目”：其目标是通过3GPP的无线接入技术演进来确保其在未来10年的竞争力，在该研究项目的主持下，LTERelease8的需求得到完善和细化，具体需求可归纳如下：减少时延，包括建立连接和传输；提高用户数据的传输速率；为保证业务一致性，提高小区边界传输比特率；降低每比特传输成本，也就是提高频谱效率；对现有带宽和新增带宽中的频谱使用更灵活；简化网络结构；无缝移动性，包括在不同的无线接入间；实现移动终端的合理功耗。与现有系统相比较，提高LTE性能是网络运营商的主要需求，以确保LTE的竞争力。出于市场因素考虑，对不同无线接入技术进行衡量与比较的首要参数往往就是每个用户能够达到的峰值数据率。LTERelease8系统在20MHz带宽内的上下行目标峰值数据速率分别为100Mbit/s和50Mbit/s，相对应于频谱效率分别为5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz。移动性支持从120km/h到350km/h，甚至超过500km/h以上。另外，数据处理的时延小于5ms，信令处理时延小于100ms。LTE高速率低时延的通信需求，对设备制造商和运营商提出了巨大的挑战。通讯多核的数字信号处理器DSP(digitalsingnalprocessor)的龙头厂商飞思卡尔和德州仪器TI(TexasInstruments)相继推出高性能的DSP，用于增强基站的处理能力。picoChip公司也宣称其多核picoArray处理器具有专用ASIC的计算密度和传统高端DSP的可编程性，并且能够实现“软件无线电”。尽管DSP的工作时钟频率早已经提升到GHz量级，但是其仍然无法满足高端应用系统对实时性的要求。换句话说，算法复杂度与传统DSP的性能之间一直存在着落差。而且，随着LTE、LTE-A等移动通信技术的出台，通信系统中的多输入多输出MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)、OFDM、低密度奇偶校验码LDPC(Low-densityParity-check)等无线算法和AVS等实时视频编译码方法的复杂度直线上升，使得这种落差呈现进一步扩大态势。总之，现有技术一般存在以下缺点：大数据量的通信处理时延高，硬件性能难以满足高速率处理要求。而且，严格的实时性要求，使得硬件的升级成本高。系统平滑演进也对设备提出更高要求，动态负载导致基站利用率低。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器及其调度方法，本发明创建的计算资源调度器基础是摆脱传统的ASIC及DSP+FPGA基站的串行数据处理的模式，利用“云计算”的理念，将基站集中在一起而组成基站集群，基站集群内部使用通用处理器GPP作为计算资源，通过计算资源调度器将大量的计算任务划分为合理的粒度后，再分配到各级流水线进行处理。本发明计算资源调度器用于对LTE宽带通信系统中的组件和资源进行合理调度，以便能够更容易地满足实时性要求，并且通过合理分配计算资源，使其得到更充分的利用。此外，针对Turbo译码时间的开销大，本发明还提供了一种合理分配Turbo译码码块的调度方法，进一步增强和提升了LTE宽带通信系统的实时性能。为满足LTE通信系统严格的实时性要求，本发明系统对通信数据采用基于GPP的流水线处理模式。以能更好地满足时延要求，并对每个任务模块增加了时间安全裕量。为了达到上述目的，本发明提供了一种基于通用处理器GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器，其特征在于：该计算资源调度器是为满足LTE宽带通信系统对时延的严格要求，在采用基于GPP的流水线模式处理通信信号过程中，对GPP的计算资源进行调度，以使流水线模式处理通信信号时，能满足实时性要求，并为每个任务的操作增加时间安全富裕量；该计算资源调度器设有顺序连接的下述三个部件：LTE组件状态信息存储器、LTE计算资源调度中心和LTE计算资源池；其中：LTE组件状态信息存储器，用于存储计算资源所需要的各种LTE组件的类型标识和等待时间的状态信息，其中，类型标识决定LTE计算资源调度中心选择LTE计算资源池中的不同调度模块进行调度，等待时间用于计算LTE组件的优先级：所述LTE组件是计算资源池中包括LTE物理层算法库、LTE上层协议算法库和Turbo译码算法库中的每一个子算法的总称；LTE计算资源调度中心，作为该计算资源调度器的控制枢纽，设有两个组成模块：LTE物理层和上层协议处理调度模块和Turbo译码码块分割调度模块，负责从LTE组件状态信息存储器获得各个LTE组件的状态信息和从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息，根据不同的LTE组件类型及其相应的调度准则，给每个LTE组件合理、均衡地分配LTE计算资源，即集中管理各个LTE组件的运行时序、数据存储和计算的分配：若某个LTE组件在通信过程中即将运行，LTE计算资源调度中心就把该LTE组件的状态信息按照时序先后存入于LTE组件状态信息存储器，并接收来自LTE计算资源池反馈的LTE计算资源池的实时状态信息；再按照设定的调度方法对LTE组件的运行顺序进行重新排列后，告知LTE计算资源池如何分配LTE计算资源：指示其中的多核GPP的内核分别加载哪个LTE组件执行信号处理；LTE计算资源池，是处理LTE信号的基站集群，用作该计算资源调度器LTE计算资源的汇总；设有大量的多核GPP构成的多核GPP组和容量足够大的内存存储单元，其中的多核GPP的每个内核负责在LTE计算资源调度中心调度下，加载LTE组件进行信号处理，完成复杂的计算任务；每个多核GPP上内嵌下述三个部件：LTE物理层算法库模块、LTE上层协议算法库模块和Turbo译码算法库模块；内存存储单元负责存储LTE组件运行时尚未处理的、处理过程中和/或完成处理后所产生的各种数据；且内存存储单元与每个GPP都有一条专用于数据交换的数据总线。为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于通用处理器GPP的LTE宽带通信系统计算资源调度器的调度方法，其特征在于：LTE计算资源调度中心分别从LTE组件状态信息存储器获取LTE组件的状态信息，以及从LTE计算资源池获得多核GPP的内核负载信息后，根据不同的LTE组件类型和不同的调度准则，给每个LTE组件合理分配LTE计算资源；所述方法包括下列操作步骤：(1)对于通信过程中即将开始运行的LTE组件，LTE计算资源调度中心按照时间顺序把该LTE组件状态信息存入LTE组件状态信息存储器中，形成LTE组件队列；(2)LTE计算资源调度中心统计LTE计算资源池中包括每个多核GPP内核的传输时延、负载状况和LTE组件在内核上的运行时间的各种状态信息；(3)LTE计算资源调度中心统计LTE组件状态信息存储器中存储的、包括每个LTE组件的类型标识及其等待时间的LTE组件状态信息；(4)LTE计算资源调度中心根据两种不同类型的组件，分别选择相应的调度模块工作：若LTE组件类型为LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，则选择LTE物理层和上层协议处理调度模块进行调度；其调度操作步骤如下：(4A)根据LTE组件类型属于LTE物理层算法库或LTE上层协议算法库，相应启动LTE物理层和上层协议处理调度模块；(4B)根据LTE物理层和上层协议处理调度模块设定的调度准则，相应选择下述的调度单元之一或组合：若为负载均衡准则，则使用基于负载均衡的LTE计算资源调度单元；若为优先级准则，则使用基于优先级的LTE计算资源调度单元；若为实时性准则，则使用基于实时性的LTE计算资源调度单元；(4C)被选中的LTE计算资源调度单元按照各自的LTE计算资源调度方法给LTE组件分配计算资源；若LTE组件类型为Turbo译码算法库，则选择Turbo译码码块分割调度模块进行调度；Turbo译码码块分割调度模块按照下述操作步骤执行调度：(41)先把即将进行Turbo译码的码块状态信息按照时间先后顺序存入LTE组件状态信息存储器中，构成译码码块等待队列；(42)从LTE组件状态信息存储器获得每个Turbo译码码块长度及其状态信息后，将处于译码码块等待队列中的所有Turbo译码码块按照其码块长度降序排列；(43)将LTE计算资源池中专用于Turbo译码的3个GPP内核分配到的码块长度都初始化为0；(44)从Turbo译码码块等待队列中按照从大到小顺序选取位于该等待队列最前面的Turbo译码码块；再把该Turbo译码码块分配给3个GPP内核中码块总长度最小的内核进行译码；(45)3个GPP内核分别更新各自分配到的码块总长度，并反馈给Turbo译码码块分割调度模块；(46)返回执行步骤(44)，直到把所有的Turbo译码码块都分配完毕和完成其译码操作；(5)LTE计算资源调度中心根据所选择的物理层和上层协议处理调度模块或Turbo译码码块调度模块，按照两者各自相应的调度方法，给不同类型的LTE组件合理分配计算资源。众所周知，LTE宽带通信无线系统是实时系统，要求该LTE通信系统中的每个信号处理模块都要在精确的响应时间——微秒级完成信号处理任务。但是，目前的信号处理的操作系统能够达到的实时性能仅仅在毫秒级，所以，对于技术开发人员是个极大的挑战。本发明在GPP芯片下利用云计算、流水线设计和LTE计算资源调度器等多项创新技术完成了LTE系统的搭建，甚至达到了比传统基站更好的性能。本发明LTE计算资源调度器的关键技术和创新之处是：本发明LTE计算资源调度器将基带数据收集起来，进行集中化处理，根据多核GPP中的每个内核实时反馈的负载信息，实时动态调度计算资源，利用分布式基站进行实时云计算，增强了通信系统的灵活性和适应性。本发明LTE计算资源调度器根据LTE宽带通信系统的特点，提出了LTE计算资源调度的三个准则，并创新提出LTE绝对负载值、LTE相对负载值以及LTE组件优先级的多个创新技术概念及其相应的各种计算资源的调度方法。本发明基于LTE绝对负载值、LTE相对负载值以及LTE组件优先级三个技术概念提出LTE计算资源调度器对LTE计算资源进行调度的方法，该方法能够根据通信系统的实际情况实时调整调度策略，满足4G通信系统的实时性要求。本发明还针对Turbo译码的各个码块彼此相互独立的特点，设计了并行Turbo译码的码块调度方法，使得每个并行的译码器负载均衡，大大减小了译码模块的时间开销。本发明与现有技术相比较的主要优点和创新成果是：脱离了FPGA+DSP的基站硬件模式，在通用处理器GPP的芯片上进行开发，使得技术开发和升级的投资费用显著降低，还缩短了研发周期。对于实时性和定时同步要求十分严格的LTE通信系统，采用本发明LTE计算资源调度器执行集中式处理，使得该通信系统与其他系统相比较，更容易满足各项性能需求。基于LTE绝对负载值、LTE相对负载值和LTE组件优先级三个技术概念提出的LTE计算资源调度方法，对每个LTE组件合理分配LTE计算资源，既保证通信实时性，还均衡了计算资源的负载。本发明LTE计算资源调度器执行的云计算式的集中处理工作模式，使得计算资源可以更灵活地调度，得到更高效的利用，并且，对于短时间内潮汐式的数据流，具有更强的抗压能力。综上所述...